迎接終極潔淨能源  氫能時代來臨

是宇宙間最簡單、最普遍的化學元素,燃燒後的產物為水,沒有碳排放,能源轉換效率比化石燃料高,是終極潔淨能源,也是邁向淨零不可或缺的拼圖。 打造氫能新經濟,開啟淨零新時代! 迎接終極潔淨能源  氫能時代來臨 從取之不盡的水資源中分解氫,透過能量轉換提供電力並生成水,如此周而復始的資源循環,描繪出人們對於未來永續世界的想像。氫是宇宙最豐富的元素,能量密度大,燃燒後又不會產生二氧化碳,因而被視為「終極潔淨能源」。 早在1970年,美國德州農工大學教授博克里斯(John Bockris),在通用汽車技術中心的一場演講當中,提出「氫經濟」(Hydrogen Economy)一詞,設想未來以氫氣取代石油,成為支撐全球經濟的主要能源。20多年前,氫燃料電池有了新的技術進展,日本和美國再次倡議氫經濟,但最終受限於成本和技術尚未成熟,仍舊無法實現氫經濟願景。 氫是宇宙最豐富的元素,燃燒後不會產生二氧化碳,被視為「終極潔淨能源」。 近來氫能復興,最主要的驅動力就是2050淨零排放。為了達到淨零目標,全球苦尋替代傳統石化燃料的潔淨能源,工研院綠能與環境研究所副所長萬皓鵬指出,取自大自然的再生能源雖然扮演要角,但發展有其環境限制,仍需部分低碳燃料支撐零碳世界。 國際能源署在其公布的「全球能源部門2050淨零排放路徑」中指出,若想達到2050淨零排放,氫能需占整體能源使用13%,在國發會公布的臺灣2050年淨零排放路徑中,氫能也占電力供給的9%至12%。從整體能源使用角度來看,「氫能不僅是全球、也是臺灣達到2050淨零排放的關鍵角色。」 為了加速臺灣邁向氫能時代,工研院在近日提出「臺灣2050氫應用發展技術藍圖」。氫氣長期做為石化煉製中不可或缺的要角,中油董事長李順欽就指出,「這是氫能發展的一小步,卻是臺灣邁向2050淨零排放的一大步;要達到淨零排放,沒有氫能萬萬不能。」 2040綠氫將成主力 氫氣依照來源不同,而有灰氫、藍氫、與綠氫的分別。以化石燃料如天然氣經蒸汽重組產生的氫氣,稱為灰氫;若將蒸汽重組過程中的碳排,經由碳捕捉及封存或再利用,避免二氧化碳排放到大氣中,則稱為藍氫;只有以再生能源電解水產氫的方式,才是最潔淨的綠氫。現今全球氫氣生產大部分為灰氫,隨著技術提升與成本下降,預計在2040年綠氫將會成為主力。 萬皓鵬指出,目前臺灣氫氣用量大約在30~40萬噸,主要來自以石化燃料產氫,幾乎百分之百都是灰氫。在工研院規畫的藍圖裡,2050年臺灣氫氣需求量將達435萬噸,成長10倍之多。這些氫氣來源,評估臺灣再生能源設置與調節情境下,高達四分之三要靠進口,四分之一則是自產藍氫及綠氫,自產數量約為110萬噸,估計其中7成是綠氫,3成是藍氫。   產業因不同製程,使用氫氣已是行之有年,如煉油業、石化業、鋼鐵業等,氫氣需求量都很大。 雖然氫氣進口成本不低,但萬皓鵬認為,到了2050年,使用化石燃料需付出碳費,而氫氣成本以鄰近日、韓所提出的目標,均在每公斤2元美元左右,而未來可能的氫氣供應大國澳洲,則提出出口目標為每公斤1.4-1.5美元,雖然比目前天然氣貴一點,但若加上碳排和碳費的考量,「氫能和化石燃料在經濟成本上的競爭就會拉近,會具備替代能源的優勢。」 多管齊下投入氫能發電 萬皓鵬指出,未來氫能主要有三大應用,也就是發電、工業應用和交通載具,臺灣各有不同機會。首先在發電上,分為定置型發電和分散型發電兩種模式,前者就像大眾熟知的火力發電廠,後者最具代表性的就是燃料電池發電。 在定置型發電上,近幾年國際已實地測試以氫氣替代天然氣燃燒,30%的混燒比例已完成技術驗證。臺灣因產業能量及市場規模等因素,切入大型發電系統的機會不大,但未來引進氫氣機組後,在地的工程公司可負責運轉維護。 在分散型發電上,現階段市場主力有兩種,一種是可快速啟動的質子交換膜燃料電池(PEMFC);另一種是適合作為基載的固態氧化物燃料電池(SOFC)。早在20多年前,臺灣便投入PEMFC研究,有許多燃料電池供應商都以PEMFC為主,有些甚至已能做到整組成品輸出,外銷至東南亞和日本等地。工研院也投入發展PEMFC的金屬雙極板,不僅體積更輕薄,成本也只有原先碳板的50%,「未來臺灣在PEMFC的發展很有機會,」萬皓鵬說。   而SOFC有Bloom Energy等國際大廠掌握核心技術,臺灣則以關鍵零組件供應商的角色,切入供應鏈。工研院也打造了2套SOFC,自製率達75%,建立本土化SOFC系統整合技術。   氫液化後體積會比氣態時小近1,000倍,載送量更多,因此長途運輸均採用液化氫形式。   氫能車滿足長途運輸需求 在工業應用上,萬皓鵬表示,產業因不同製程,使用氫氣已是行之有年,像是煉油業、石化業、鋼鐵業等,都是氫氣需求量很大的產業。此外,也有些產業在製程中,會有餘氫排出,如造紙業、半導體業等。過去工業餘氫直接排放或燃燒,但近年因為能源議題,也開始出現餘氫回收再利用的討論。 但若採用燃料發電,純度需達99%以上,如果餘氫雜質過多,可能會讓燃料電池的觸媒受到毒化,降低發電效率。工研院投入開發工業餘氫的純化跟回收技術,可將50%的低濃度氫氣直接發電或回收純化到99.999%回到製程使用,讓餘氫發揮最大價值。 在交通載具上,為達2050淨零排放,國際專家一致認為,小型車朝向電動化發展,許多國家研擬停售油車;但對於需要長途運輸和載重的巴士和貨車,電動車續航力就顯不足,也需要較長時間充電,預料大型車會以氫能車為主。 相比電動巴士最多只能跑200公里,充電動輒數小時,氫能巴士只要儲氫5到10分鐘,就能跑400公里,更具優勢。工研院也投入車用儲氫瓶技術,開發碳纖複合材料,更安全又輕量。 氨氣加速實現零碳願景 氫能雖然具備潔淨優勢,但也有不少挑戰。首先,在國際進出口上,由於氫液化後體積會比氣態時小了近1,000倍,可以載送更多氫氣,因此長途運輸都是採用液化氫的形式。 但氫要液化,溫度需達零下253度,為了達到如此低溫,能耗相對較大。同時在運輸過程中,也要全程維持低溫,且需重複加壓液化,導致損失部分氫氣及增加能耗,因此長途運輸目前仍在驗證中,今年初日本和澳洲也才剛完成全球第一艘液態氫運輸船的航程。 即使運輸到目的地,也還有關卡要克服。由於氫分子小,容易鑽入金屬的分子鏈中,久了就會產生裂斷現象,也就是所謂的「氫脆」,因此包含輸送氫氣的管線、儲氫瓶、接收站等設備,都要使用鋼管材料。同時,氫是易燃氣體,爆炸範圍比天然氣還要大,在儲存跟運輸上需要更加小心。目前國際上有幾個在地示範系統,大約可運輸100~200公里,但都還在驗證階段。 由於氫氣在儲存和運輸上的挑戰,讓國際開始思考短期替代方案,也就是氨氣。萬皓鵬表示,氨氣是由氫氣和氮氣反應而成,燃燒後同樣沒有碳排,又比氫氣安全,不易爆炸,最重要的是,氨氣液化的溫度只要零下33度,在長途運輸上非常具優勢。IEA指出,在1萬公里以上的運輸,氨氣的運輸成本只有氫氣的75%,過往氨氣作為肥料應用,在國際間運輸也非常成熟。   氫氣目前雖比天然氣貴一點,但若加上碳排和碳費的考量,氫能和化石燃料在經濟成本上的競爭就會拉近,具備替代能源優勢。   一般來說,氨氣可直接燃燒使用,不須再分解成氫,因此最好的應用就是直接用於發電。在工研院的「臺灣2050氫應用發展技術藍圖」中,2050年臺灣的氨氣需求量約為315萬噸,百分之百依靠進口和煤炭進行混燒。台電公司規劃今年底和日本三菱重工簽訂MOU,預計將在林口發電廠先行驗證煤炭混燒5%的氨氣。   雖然氨氣優點不少,但萬皓鵬提醒,氨含有氮,在燃燒時會產生氮氧化物,也是一種污染物,因此目前日本和美國都在研究如何控制氮氧化物的排放量,不過看來技術難度不算太高,「整體來說,氫仍然是終極目標,但氨是短中期立刻就能使用,可加速實現零碳燃料的願景,」萬皓鵬解釋。   搶先布局未來氫能經濟   能源是最基礎的民生需求,但能源系統建置需要時間,不管是自產或進口,都需要長時間的規劃和建設,就像過去發展天然氣,也花了很長時間建置天然氣接收站,並且和天然氣供給國簽約。   萬皓鵬進一步指出,國際研究調查機構普遍估計,氫氣大規模使用將在2040年以後,看似還有不短時間,但臺灣從現在就要開始布局,不僅是建構儲存和運輸等基礎設施,還有法規調和,甚至要在氫能技術上做出突破,屆時臺灣就能以技術領先者的角色,在新興的「氫經濟」上搶得先機。   加速布局氫產業供應鏈 六大氫能應用技術齊發   載具專用儲氫瓶 採用碳纖複合材   氫為氣態燃料,為應用於運輸載具,須以高壓儲氫瓶盛載,才能安全的儲存與輸送。由於氫氣分子極小,若以一般的鋼瓶儲存,氫氣會鑽入金屬的結構中,長久使用後,金屬瓶會產生裂斷現象,也就是所謂的「氫裂」。   工研院以碳纖維複合材料打造儲氫瓶,由於碳纖維分子比氫氣還要小,因而更加安全,重量也減少60%以上,更加輕量化。在碳纖維的纏繞技術上,工研院完成基於機械手臂的自動化纏繞製程系統,相較於傳統動輒上千萬元的龍門型纖維纏繞專用機,能大幅降低建置成本,並具有小量多樣的生產彈性。這項技術已和德宇複合材料合作投入開發,未來將鎖定氫能車儲氫瓶市場。   過去儲氫瓶的研發專利都掌握在國際大廠手中,目前工研院的製程技術涵蓋高溫硬化至中低溫硬化、乾式纏繞或濕式纏繞等客製化材料技術,及配套材料製程設備,搭配輕量化結構設計與力學分析,可協助複材高壓儲氫氣瓶產業國產化。     PEMC金屬板燃料電池電堆 輕薄省成本   質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC)是運用電化學反應,將燃料(通常是氫)轉換為電能的裝置,反應後產物主要是水,被譽為是最潔淨的能源,也是達成2050淨零排放的主要路徑之一。   在燃料電池核心組件電堆中,雙極板扮演重要角色,提供氣體流道,防止電池氣室中的氫氣與氧氣接觸,並在陰陽兩極之間建立電流通路。過去雙極板大多採用碳板,厚度較厚,體積難以縮小;同時放在移動載具上時,也容易因為震動而裂開。   工研院研發的金屬雙極板,體積更加輕薄,成本只有碳板的50%,也更加耐震動、耐衝擊,適合用在交通載具或利基產品上,如可攜式及備援電力設備。其隨時開關的特性,搭配獨有的金屬雙極板流場結構設計、多層導電碳薄膜與電池模組化等專利技術,能有效提升電池功率密度與壽命,進而達到減碳效益。   近期工研院連結捷克UJV、CAS以及臺灣6家廠商,成立跨國金屬板電堆研發聯盟,共同開發燃料電池,掌握關鍵自主技術。今年9月,研發團隊也將延伸成立新創公司,提升產業技術能量。   工研院超前部署,投入研發多項跨領域的氫應用技術,協助國內產業掌握氫能應用趨勢,加速布局2050淨零排放關鍵技術。 定置型SOFC 自給自足氫能發電   面對減碳壓力,許多企業紛紛評估自建電力系統,也讓固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell;SOFC)備受關注。SOFC是透過電化學反應,將碳氫燃料能量轉換為電力輸出,具有發電效率高(大於55%)、低污染排放、低噪音等特點,SOFC系統可適用天然氣、沼氣、工業副產氫及純氫等多元料源,是極具潛力的氫能分散式電力技術。   SOFC除了發電外,附帶產出的熱水,也能充分用於製程或洗滌,冬天亦能轉成熱風,作為廠內供暖設備,應用場域包含工廠、旅館、大樓、溫泉業、醫療院所等產業;而小型SOFC系統,則可作為家用供電、供暖的整合方案。   臺灣產業已具有燃料電池系統整合及零組件製造能力,工研院與亞氫動力等公司合作,建立本土化SOFC系統整合技術,自製率達75%,目前已打造一套系統置於臺南沙崙綠能科技示範場域。同時也與中油公司展開實場驗證,後續將布局國際燃料電池分散式電力市場,帶動國內相關產業發展。   再生能源電解產氫系統 自產綠氫關鍵技術   氫能潔淨,用途多元,但氫的取得方式是一大關鍵,主要來源之一便是透過電解水產氫技術。以綠電來產氫,可作為鋼鐵、石化業者的潔淨料源,不會有因天然氣重組反應製造氫氣,導致二氧化碳排放的問題。   現階段電解水產氫的一大挑戰在於成本,過去使用氟系質子交換膜,得用昂貴的鉑銥觸媒,工研院自主研發鹼性膜材,能以較便宜的鎳系觸媒替代,不僅降低產氫設備成本達30%,產氫效率更高達80%,成為便宜綠氫的最佳提供方案,可供應二氧化碳再利用反應所需的綠氫料源,協助難脫碳產業達到減碳效益。   國際能源署(IEA)預估,全球若要實現淨零排放,2050年氫能需占整體能源比例達13%。全球對於電解水產氫的目標是,在2050年每1立方公尺的氫氣可以產出5度電,目前工研院雖然還在實驗室階段,但1立方公尺的氫氣已能產出4.5度電,距離目標不遠,未來將和中油、台電合作,把規模放大,逐步實現氫能新世界。   綠色甲醇生產技術 二氧化碳變身高值品   臺灣每年產生2.7億噸二氧化碳,想要減碳,除了從源頭減量,也能將二氧化碳捕獲再利用與氫氣反應,合成為重要的基礎化學品甲醇。甲醇應用廣泛,可轉化為一氧化碳、醋酸、烯烴、芳香烴等化工產業的基礎料源,2021年全球甲醇用量約1億噸,預估至2050年成長至5億噸,臺灣每年也要進口高達150萬噸甲醇,市場商機龐大。   目前全球進行二氧化碳轉化甲醇時,反應溫度高達攝氏250至280度,工研院研發高性能的二氧化碳觸媒氫化技術,以獨家專利的銅鋅合金觸媒配方,能將反應溫度降到攝氏220度,不僅轉化能耗較低,產出效率也較高。對比目前市面上每公斤觸媒每小時可產出600克甲醇,工研院可產出1,000至1,100克甲醇,成果領先國際。 工研院已和中鋼合作設立先導實驗廠,未來將捕獲煙道氣中的二氧化碳進行轉化,預計今年9月建置完成,明年初也將和中油合作蓋廠,加速產業化落實目標,未來若結合使用再生能源,還能達到負碳排的效果。   高效濾氫純化模組 建立氫氣循環經濟   能源轉型如何和現有產業結合?臺灣工業餘氫產量高達數千萬立方公尺,針對大量餘氫去化問題,工研院研發高效濾氫純化模組,能將半導體、石化、鋼鐵、造紙等產業製程中的餘氫,進行純化回收,達到循環再利用的目的,同時也減少燃燒餘氫所需添加天然氣產生的數萬噸碳排。   針對市面上的濾氫技術,使用只讓氫原子穿透的鈀金屬作為膜材,藉此取得高純度的氫氣。但鈀金屬相當昂貴。工研院研發低成本的陶瓷金屬材料,取代部份鈀金屬,除了成本減少50%外,透過「篩分隔離」與「質傳過濾」雙機制技術,體積也只有一般市售純化器體的一半。   這項技術能將製程所產生約70%餘氫,純化至99.9999%以上的高純度氫氣,供產線再利用,減少製程所需氫氣的購買成本,或是供給燃料電池發電。工研院已和國內尾氣設備處理廠合作,解決國內產業的碳排痛點,打造臺灣綠色供應鏈。   布局零碳「氫」時代 臺灣氫產業的機會和挑戰   節能減碳已是全球大勢之趨,從減碳到零碳,氫能被視為未來的重要能源之一,各國競相布局,紛紛提出氫能相關的發展策略,逐步實現新型氫世界。   工研院產業科技國際策略發展所能源組石蕙菱博士表示,現階段各國氫發展以發電、工業、交通載具為三大應用方向,但發展目標與方式各不相同,大致可分為3種模式。模式一,減碳與氫應用產業並重,像是日本、韓國和中國等國家,以內需市場示範營運模式,規劃中長期系統輸出,並著重國際氫進口供應鏈的建置以及應用國際化,藉此創造新興產業效益。   臺灣現行氫氣運儲方式以進口高壓槽車運送氣態氫為主,基礎設施亟待建置。 模式二是擴大應用,達成減碳目標,諸如歐盟成員國、英國與美國,以其可整合廣大地域資源的地利之便,善用既有資源與產業基礎,聚焦在氫於零╱低碳燃料的應用,推動綠氫與藍氫的規模經濟來達成減碳目標。模式三,則是著重氫出口,主要以欲從化石能源出口轉型的地區,例如澳洲、中東和北非等國家或區域為主,為了加快其產業轉型速度,降低運儲成本是其發展關鍵。   產學研相繼投入 成果仍待商業化   在各國如火如荼展開氫能戰略之下,臺灣的氫產業發展狀況如何?石蕙菱表示,目前臺灣氫氣來源以灰氫為主,料源主要依靠化石能源,如甲醇、甲烷重組,先進口料源至工廠,再製造分銷,少部分回收工業副產氫。現行運儲方式則以進口高壓槽車運送氣態氫為主,尚無地下氫氣運輸管路與大型定置型液態儲槽,基礎設施亟待建置。   在應用上,臺灣氫發電以備援電力為主,僅小型(10kW以下)燃料電池有商業化實績,中大型(10至數百kW)等長期發電裝置仍在研發階段。工業用氫上,主要用於半導體、食品和金屬加工等產業,不過隨著5G手機需求增加,連帶讓晶圓長晶製造、面板、靶材應用等製造對高純度氫氣(>99.999%)的需求越來越高。   在氫能備受關注下,臺灣學界、法人、產業也相繼投入相關技術研發。學界以電解產氫轉換效率的提升,以及低成本儲氫或燃料電池材料的開發為重點,不過新型製氫例如太陽能製氫技術仍處研發階段,相關成果尚未商業化。法人過去以應用端為主,配合政策推廣新能源裝置應用,如工研院開發長航時燃料電池無人機,以及工業副產氫發電與純化回收等。   產業界的投入以燃料電池發電系統與交通工具居多,如中興電工利用燃料電池示範微電網系統、聯合再生能源研發燃料電池機車等,近期氫╱氨渦輪發電、中大型商務運輸工具、加氫站等基礎設施等相關專案也正陸續發展中。 三大應用多管齊下 實現氫能經濟願景 未來,臺灣在氫應用上的發展,將以減碳為目標,逐步提高氫需求。石蕙菱建議,在發電上,可用氫或氨混入傳統燃料再進入渦輪發電機,或使用燃料電池協助能源減碳,以既有火力發電機組改良應用,歐美日皆有相關驗證計畫,臺灣可在既有港區、電廠等場地運行,但挑戰是目前綠氫與藍氫價昂,發電成本可能拉高。 產業應用包含氫氣煉鋼、製氨等化工製程和半導體等應用,歐盟等國正發展傳統產業氫氣減碳,臺灣可善用既有工業運儲氫氣體系,但要注意的是,不同產業對氫氣價值評估落差大,傳統產業需有足夠的用氫誘因。 在交通應用上,主要以氫能車和氫能巴士為主,日韓由高市占車輛品牌帶頭發展,但臺灣車輛產業的國際影響力有限,加上需建構加氫站,安全規範嚴格,石蕙菱也提醒,須注意和氫能車與電動車之間的資源競爭問題。 石蕙菱指出,臺灣發展氫能的優勢在於,具備可結合氫或由氫合成原料的工業,也有明確的減碳目標;但挑戰也不少,目前臺灣僅有天然氣管線,尚未建置跨域的天然氣管線整合能源;未來若要發展綠氫,也需要有過剩的再生能源電力,加上工業副產氫多有用途,電解製氫與儲氫技術成本仍高,同時也需要制定加氫站的設置法規,仍須多管齊下努力。 石蕙菱建議,在減碳的終極目標下,臺灣需審慎評估氫能導入的模式、擬定策略,同時整合技術研發與實地驗證,輔以環境建構以擴大應用。未來可朝向前瞻製氫技術研發、臺灣氫需求與減碳潛力分析、再生能源電解製氫整合場域模擬分析三大方向前進,實現氫能經濟願景。   本文來自:打造氫能新經濟